一種地球靜止軌道衛(wèi)星的快速恢復(fù)定軌方法

郭 睿,周建華,胡小工,劉 利,黃 勇,常志巧

1.北京環(huán)球信息應(yīng)用開發(fā)中心,北京100094;2.中國科學(xué)院上海天文臺,上海200030

一種地球靜止軌道衛(wèi)星的快速恢復(fù)定軌方法

郭 睿1,周建華1,胡小工2,劉 利1,黃 勇2,常志巧1

1.北京環(huán)球信息應(yīng)用開發(fā)中心,北京100094;2.中國科學(xué)院上海天文臺,上海200030

地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星頻繁的軌道機動對高精度、實時不間斷的導(dǎo)航服務(wù)需求提出新的更高要求,如何在短弧跟蹤條件下提高 GEO衛(wèi)星軌道快速恢復(fù)能力,是提升導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)精度的關(guān)鍵因素。針對該問題,提出基于9參數(shù)星歷擬合的 GEO衛(wèi)星短弧運動學(xué)定軌方法,詳細(xì)推導(dǎo)定軌的數(shù)學(xué)模型與偏導(dǎo)模型,針對GEO衛(wèi)星星歷參數(shù)擬合中的奇異問題,提出相應(yīng)的解決方法和措施。利用COMPASS GEO衛(wèi)星實測自發(fā)自收數(shù)據(jù)進(jìn)行短弧定軌試驗與分析,結(jié)果表明:①10 min短弧運動學(xué)定軌的位置精度優(yōu)于19 m,速度精度為4 mm/s,速度精度明顯優(yōu)于MEO衛(wèi)星;②預(yù)報5 min的位置精度為17.760 m,預(yù)報10 min的位置精度為18.168 m;③解決 GEO衛(wèi)星頻繁軌控所帶來的軌道快速恢復(fù)問題,滿足短弧跟蹤條件下RDSS的服務(wù)需求。

精密定軌;衛(wèi)星導(dǎo)航;GEO;衛(wèi)星星歷;轉(zhuǎn)發(fā)式測距

1 引 言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為了維持星座幾何構(gòu)型與衛(wèi)星軌位,以確保導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)范圍,需要定期通過衛(wèi)星機動來維持軌道位置,尤其是對于軌位資源相對稀缺的地球靜止軌道衛(wèi)星(geosynchronous earth orbit),其軌道東西位置保持要求優(yōu)于0.1°,GEO衛(wèi)星軌道機動周期通常為10 d左右。面對導(dǎo)航系統(tǒng)如此頻繁的軌道機動問題,軌道機動與恢復(fù)期間的導(dǎo)航衛(wèi)星精密定軌問題,是制約我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)性能的關(guān)鍵因素之一。因此,如何在短弧跟蹤條件下實現(xiàn)導(dǎo)航衛(wèi)星精密軌道測定,是一項需要深入研究與論證的關(guān)鍵技術(shù)[1-2]。

目前,由于實時、不間斷的導(dǎo)航服務(wù)需求對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提出了新的更高要求,傳統(tǒng)的精密定軌理論難以處理這些新的問題。例如,導(dǎo)航衛(wèi)星姿軌控后如何迅速提供衛(wèi)星的精密軌道,包括衛(wèi)星在姿軌控期間和控后的軌道。當(dāng)衛(wèi)星的測軌跟蹤弧段較短時,或者當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)歷復(fù)雜的姿軌控時,傳統(tǒng)的統(tǒng)計定軌理論難以建立有效的算法獲得高精度的軌道參數(shù)。前一種情況導(dǎo)致傳統(tǒng)的軌道改進(jìn)算法的法方程嚴(yán)重病態(tài),需要引進(jìn)人為的約束方程才能獲得有意義的解;后一種情況中的姿軌控力模型誤差嚴(yán)重制約了定軌精度的提高。

文獻(xiàn)[3-4]分別提出了基于多項式擬合和基于星歷擬合的衛(wèi)星短弧運動學(xué)定軌方法,給出了算法實現(xiàn)過程,利用MEO導(dǎo)航衛(wèi)星的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行定軌試驗,取得了較好的定軌與預(yù)報精度。文獻(xiàn)[4]給出的擬合方法僅僅適合于大軌道傾角的衛(wèi)星,但是對于高軌、軌道傾角接近0的 GEO衛(wèi)星,主要存在以下問題:①其高軌特性致使地面跟蹤基線長度有限,定軌幾何條件不佳;②其靜地特性致使衛(wèi)星軌道與鐘差存在強相關(guān)特性,對于基于偽距的 GEO衛(wèi)星定軌模式,需要星地與站間時間同步技術(shù)的支持;③對于基于星歷擬合的 GEO衛(wèi)星短弧定軌,由于 GEO軌道傾角i接近于0,參數(shù)ω和Ω的物理意義具有奇異性,參數(shù)之間的相關(guān)性顯著增強,無法實現(xiàn)星歷參數(shù)的有效估計;④目前常用的GEO衛(wèi)星測軌技術(shù)均存在一定的系統(tǒng)差,嚴(yán)重制約了 GEO衛(wèi)星定軌精度。

針對上述問題,CAPS系統(tǒng)提出了轉(zhuǎn)發(fā)式測距的 GEO衛(wèi)星測軌技術(shù)[2,5],文獻(xiàn)[1]提出兩種精確的設(shè)備時延標(biāo)定方法,標(biāo)定精度優(yōu)于1 ns,減弱或消除了設(shè)備時延誤差對 GEO衛(wèi)星定軌精度的影響,實現(xiàn)了 GEO衛(wèi)星精密軌道測定。

基于上述分析,本文立足短弧運動學(xué)定軌問題,提出基于星歷擬合的 GEO衛(wèi)星運動學(xué)定軌方法,該方法不依賴軌道動力學(xué),通過準(zhǔn)二體問題來描述衛(wèi)星運動規(guī)律,從而建立并推導(dǎo)了星歷參數(shù)與衛(wèi)星位置之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,給出了短弧運動學(xué)定軌的實現(xiàn)過程。該方法避免了基于偽距測量的GEO衛(wèi)星定軌中短弧定軌精度不穩(wěn)定的問題,解決了 GEO衛(wèi)星星歷擬合過程中的參數(shù)奇異問題。利用GEO衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)式測距數(shù)據(jù)進(jìn)行短弧運動學(xué)定軌試驗,實現(xiàn) GEO導(dǎo)航衛(wèi)星軌道快速恢復(fù),得到了一些有益的結(jié)論[6-11]。

2 基于星歷擬合的運動學(xué)定軌模型

2.1 基于9參數(shù)星歷的衛(wèi)星位置計算

GPS系統(tǒng)的廣播星歷包括16參數(shù),除歷元時刻參考?xì)v元 toe外,還包括6個開普勒參數(shù)和9個軌道攝動參數(shù)。在廣播星歷擬合過程中,參數(shù)解算過程的法方程奇異,部分參數(shù)之間是強相關(guān)的,因此對于10 min左右的短弧跟蹤條件下,基于16參數(shù)的星歷擬合是不可行的。

鑒于上述問題,嘗試去掉6個軌道調(diào)和參數(shù),僅僅采用10個星歷參數(shù)來描述衛(wèi)星的地固系位置。除了參考?xì)v元 toe外,包括6個開普勒參數(shù):衛(wèi)星軌道半長軸 a、軌道偏心率 e、軌道傾角 i0、升交點赤經(jīng)Ω0、近地點角距ω0、平近點角M0。此外還包括3個軌道攝動參數(shù):平近地點角速度的改正數(shù)Δn、升交點赤經(jīng)的變化率.Ω、軌道傾角的變化率.i。由于6個調(diào)和參數(shù)主要與軌道攝動項有關(guān),主要反映與軌道周期相關(guān)的位置攝動,對于短弧條件下可以通過Δn、.Ω和.i參數(shù)進(jìn)行吸收,并且從一定程度上改善參數(shù)之間的相關(guān)特性。

與 GPS廣播星歷相比,該方法省去了6個調(diào)和項改正數(shù),包括升交角距的正余弦調(diào)和改正項的振幅 Cus和Cuc、軌道傾角的正余弦調(diào)和改正項的振幅Cis和Cic、地心距的正余弦調(diào)和改正項的振幅 Crs和 Crc,節(jié)省了計算步驟,提高了計算效率,同時能夠反映衛(wèi)星的運動規(guī)律。

基于9參數(shù)星歷的衛(wèi)星位置(慣性系)的計算過程請參見文獻(xiàn)[4],不再贅述。

2.2 星歷擬合中的偏導(dǎo)數(shù)

文獻(xiàn)[4]給出了部分參數(shù)之間的偏導(dǎo)關(guān)系,下面重點針對GEO衛(wèi)星的9參數(shù)擬合過程中的特殊性,詳細(xì)給出各參數(shù)之間的偏導(dǎo)關(guān)系式。

首先,需要計算 r對 rk、uk、ik和Ωk參數(shù)的偏導(dǎo)數(shù),詳見式(1)。

然后,分別計算Φk和 Ek對各星歷參數(shù)的偏導(dǎo)數(shù),詳見式(2)。

最后,分別計算 rk、uk和ik對各星歷參數(shù)的偏導(dǎo)數(shù),詳見式(3)～式(6)。

基于上述偏導(dǎo)關(guān)系式,可以建立待估星歷參數(shù)與衛(wèi)星位置之間的誤差方案,通過迭代求解出衛(wèi)星的位置,然后再對衛(wèi)星位置進(jìn)行求導(dǎo)處理,計算得到衛(wèi)星速度信息。

圖1 GEO衛(wèi)星星歷擬合過程圖Fig.1 GEO satellite ephemeris fitting process

2.3 GEO衛(wèi)星星歷擬合中的奇異問題

在基于星歷擬合的運動學(xué)定軌過程中,GEO衛(wèi)星傾角i接近于0,參數(shù)ω和Ω的物理意義具有奇異性,參數(shù)之間的相關(guān)性顯著增強,如果完全采用2.2節(jié)的偏導(dǎo)關(guān)系進(jìn)行星歷擬合,擬合精度比較差,或者迭代不收斂。這種奇異性是由于人為選擇參考面的不當(dāng)而引起的,如果選擇另外一個不同的參考面,問題可以得到解決。具體過程如下:

(1)通過繞 Z軸順時針旋轉(zhuǎn) GAST角度(衛(wèi)星星歷對應(yīng)時刻的格林尼治恒星時),將地固系中的衛(wèi)星星歷轉(zhuǎn)換到準(zhǔn)J2000坐標(biāo)系;

(2)在準(zhǔn)J2000坐標(biāo)系下,繞 X軸或 Y軸順時針旋轉(zhuǎn)n°(n=1,2,…,5,逆時針旋轉(zhuǎn)效果相同)得到新慣性系下的衛(wèi)星星歷;

(3)通過繞 Z軸逆時針旋轉(zhuǎn) GAST角度,將(2)中得到的新衛(wèi)星星歷旋轉(zhuǎn)到新的地固坐標(biāo)系;

(4)在新的地固坐標(biāo)系下,根據(jù)2.2節(jié)中的常規(guī)方法進(jìn)行衛(wèi)星星歷參數(shù)擬合;

(5)如果GEO衛(wèi)星的偏心率接近萬分之一,則需要增加擬合時間跨度,或者在參數(shù)加權(quán)等方面進(jìn)行擬合。

上述擬合過程中的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)關(guān)系可以用如下式來描述

3 GEO衛(wèi)星短弧運動學(xué)定軌試驗與分析

第2節(jié)提出了基于9參數(shù)星歷擬合的 GEO衛(wèi)星短弧運動學(xué)定軌方法,并詳細(xì)推導(dǎo)了具體實現(xiàn)過程。這種運動學(xué)方法充分利用了高采樣率的測軌數(shù)據(jù),減少了結(jié)果的噪聲,其優(yōu)點在于不需要累積測軌數(shù)據(jù),可以實現(xiàn)近實時快速計算,克服了動力學(xué)法定軌發(fā)散和單點定位無法獲取速度信息的不足,實現(xiàn)了短弧跟蹤條件下的衛(wèi)星精密定軌。

下面利用我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中 GEO衛(wèi)星的C波段轉(zhuǎn)發(fā)式測距數(shù)據(jù)進(jìn)行短弧運動學(xué)定軌試驗。選取了2009年6月的4個10 min觀測弧段,定軌用站包括北京、三亞、成都、哈爾濱和汕頭共5個測站,其中5個跟蹤站的設(shè)備時延分別通過SLR并置比對法和聯(lián)合定軌法實現(xiàn)了精確標(biāo)定。

為了評估基于多項式擬合的短弧運動學(xué)法定軌精度,采用長弧精密定軌結(jié)果作為參考標(biāo)準(zhǔn)。長弧動力學(xué)法定軌弧長為1 d,估計參數(shù)包括衛(wèi)星初軌、全弧段解算一個光壓參數(shù),其定軌殘差為0.205 m,SLR評估的軌道外符視向精度為0.133 m,三維位置精度優(yōu)于3 m,預(yù)報2 h SLR評估的軌道外符視向精度為0.373 m[1]。

在數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中,從C波段轉(zhuǎn)發(fā)式測距數(shù)據(jù)中扣除了衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器時延、跟蹤站設(shè)備時延、電離層和對流層延遲誤差影響,同時將跟蹤站坐標(biāo)歸算到天線相位中心。

在運動學(xué)定軌解算過程中,首先對C波段數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,扣除各種誤差,然后進(jìn)行單點定位解算,最后進(jìn)行基于9參數(shù)星歷擬合的短弧運動學(xué)定軌試驗。

3.1 定軌精度及分析

利用上述運動學(xué)定軌原理和模型,對GEO衛(wèi)星進(jìn)行了4次定軌試驗,采用的定軌方法包括單點定位、單點定位平滑和基于星歷擬合共三種,其中單點定位平滑是利用1個多項式對單點定位結(jié)果進(jìn)行擬合處理,得到平滑連續(xù)的衛(wèi)星軌道與速度信息。表1給出了詳細(xì)的定軌統(tǒng)計結(jié)果,圖2和圖3分別給出了弧段1中各種方法對應(yīng)的位置和速度精度圖。

表1 不同定軌方法的軌道精度(10 min)Tab.1 POD precision among different methods(10 min)

從表1結(jié)果可以看出,單點定位的平均位置精度為23.67 m,其余兩種方法的平均位置精度相當(dāng),都在19 m左右,其效果是等價的。

從軌道位置誤差的分布來看,X方向的軌道誤差最大,可以從兩個方面說明這個問題:其一是未知參數(shù)的權(quán)系數(shù)陣,它可以反映不同待估參數(shù)的權(quán)重,分析結(jié)果表明 X方向系數(shù)的權(quán)重最高,達(dá)到22.68。因此,測量誤差對 X方向精度影響最大。其二,由于受地面跟蹤條件的限制,定軌精度在衛(wèi)星沿跡方向最差,而該 GEO衛(wèi)星位于東經(jīng)84°左右,當(dāng)沿跡方向誤差投影到地固系 X、Y、Z三個方面時,X方向的誤差是最大的,其次是 Y方向,Z方向的誤差最小,表1中的定軌精度結(jié)果與分析完全一致。

圖2 弧段1的位置精度比較圖Fig.2 Position errors among different methods-arc 1

圖3 弧段1的速度精度比較圖Fig.3 Velocity errors among different methods-arc 1

從整體的速度精度來看,兩種方法的結(jié)果都在mm/s量級精度,但基于9參數(shù)星歷擬合法具有明顯的優(yōu)勢,精度達(dá)到4 mm/s,可以提高衛(wèi)星軌道的預(yù)報精度。究其原因,GEO衛(wèi)星相對于地球是幾乎不動的,其 X、Y方向的速度為dm/s量級,Z方向速度也是m/s量級,因此對于10 min左右的短弧跟蹤,衛(wèi)星運動可以幾乎看做是直線,此時利用9個星歷參數(shù)對衛(wèi)星軌道進(jìn)行描述,更加符合衛(wèi)星運動規(guī)律,因此其擬合效果非常好,獲得了mm/s量級的速度精度。對于單點定位平滑法,由于直接對單點定位結(jié)果進(jìn)行平滑處理,雖然提高了軌道的位置精度,但速度精度不如其他兩種方法。

從圖2的結(jié)果中可以看出,單點定位平滑法是利用多項式對單點定位進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合的結(jié)果,在X、Y和 Z三個方向,兩種方法存在一個明顯的系統(tǒng)性偏差,根據(jù)與長弧定軌結(jié)果的精度比較可以發(fā)現(xiàn),基于9參數(shù)星歷擬合法更加合理、精度更高。

從圖3的結(jié)果中可以看出,單點定位平滑法的速度精度不穩(wěn)定,呈拋物線狀變化。但是基于9參數(shù)星歷擬合法在 X、Y方向的速度精度具有明顯優(yōu)勢,其精度明顯高于單點定位平滑法,而且變化緩慢,更加有利于定軌預(yù)報。

與文獻(xiàn)[4]中MEO衛(wèi)星短弧運動學(xué)定軌精度相比,GEO衛(wèi)星的定軌精度要明顯差一些,究其原因,GEO衛(wèi)星軌道高度約為36 000 km,與MEO衛(wèi)星的跟蹤弧段相比,地面跟蹤幾何條件明顯要差一些,GDOP值為43.8,大約為MEO衛(wèi)星對應(yīng) GDOP值的10倍,跟蹤幾何條件明顯偏差,因此,GEO衛(wèi)星的定軌精度也明顯偏差。

3.2 軌道預(yù)報精度及分析

衛(wèi)星的預(yù)報軌道至關(guān)重要,直接關(guān)系到導(dǎo)航服務(wù)性能。利用3.1節(jié)的軌道結(jié)果進(jìn)行預(yù)報,并與長弧定軌結(jié)果進(jìn)行比較,表2給出了預(yù)報精度的比較結(jié)果,圖4給出了弧段1中各種方法之間的定軌精度圖。

表2 不同定軌方法的軌道預(yù)報精度Tab.2 POD predication precision among different methods /m

圖4 弧段1的軌道預(yù)報精度比較圖Fig.4 Orbit predication precision among different methods-arc 1

從結(jié)果中可以看出,基于星歷擬合的定軌預(yù)報精度要明顯優(yōu)于單點定位平滑后的軌道預(yù)報精度,預(yù)報 5 min的位置精度為 17.760 m,預(yù)報10 min的位置精度為18.168 m,原因與前面相同,基于星歷擬合的短弧運動學(xué)定軌能更好地反映衛(wèi)星運動規(guī)律,定軌解算的速度精度更高,因此更加利于軌道預(yù)報。

同時圖2和圖3位置和速度精度的趨勢也能說明上述結(jié)果,單點定位平滑結(jié)果只是對單點定位進(jìn)行平滑處理,求導(dǎo)后的速度精度在弧段兩端最差,對于軌道預(yù)報非常不利。

雖然GEO衛(wèi)星5 min的位置預(yù)報精度要略低于文獻(xiàn)[4]中的MEO預(yù)報精度,但該預(yù)報精度更加穩(wěn)定,并沒有隨著預(yù)報時間的增長而致使精度急劇衰減,其預(yù)報10 min的精度也沒有明顯的衰減,究其原因,GEO衛(wèi)星運動學(xué)定軌的速度精度要明顯優(yōu)于MEO衛(wèi)星,其精度為mm/s量級。

但是無論哪種定軌方法,預(yù)報時間越長,軌道精度越差,并且兩種方法都不適合于作長時間軌道預(yù)報,這是短弧運動學(xué)定軌的不足之處。

4 小 結(jié)

本文提出了基于9參數(shù)的 GEO衛(wèi)星短弧運動學(xué)定軌方法,給出了定軌解算中詳細(xì)的模型與實現(xiàn)過程,針對 GEO衛(wèi)星星歷擬合中參數(shù)奇異性問題,提出了相應(yīng)的解決措施。利用 COMPASS GEO衛(wèi)星的實測自發(fā)自收數(shù)據(jù)進(jìn)行了定軌試驗,結(jié)果表明:

(1)10 min短弧運動學(xué)定軌的位置精度優(yōu)于19 m,速度精度為4 mm/s,速度精度明顯優(yōu)于MEO衛(wèi)星;

(2)對于軌道預(yù)報精度,基于星歷擬合法具有明顯優(yōu)勢,預(yù)報5 min的位置精度為17.760 m,預(yù)報10 min的位置精度為18.168 m,與MEO衛(wèi)星相比,GEO衛(wèi)星軌道預(yù)報精度衰減慢,更加適合于更長時間的軌道預(yù)報。

總之,短弧運動學(xué)法定軌模型,對短弧跟蹤條件下動力學(xué)法定軌和單點定位中的諸多問題,實現(xiàn)了GEO衛(wèi)星頻繁軌控后軌道快速恢復(fù),滿足短弧跟蹤條件下RDSS的服務(wù)需求。

鑒于論文中軌道 X方向權(quán)重系數(shù)偏大致使該方向軌道誤差偏大,未來工作中可以嘗試采用參數(shù)加權(quán)平差進(jìn)行處理,以提高 X方向軌道精度。

[1] GUO Rui,HU Xiaogong,TANG Bo,et al.Precise Orbit Determination for the Geostationary Satellite with Multiple Tracking Techniques[J].Chinese Science Bulletin,2010,55(6):428-434.(郭睿,胡小工,唐波,等.多種測量技術(shù)條件下的GEO衛(wèi)星定軌研究[J].科學(xué)通報,2010,55(6):428-434.)

[2] LI Zhigang,YANG Xuhai,SHI Huli,et al.A New Method for Determination ofSatellite Orbits by Transfer[J].Science in China Series G:Physics,Mechanics&Astronomy,2008,38(12),1711-1722.(李志剛,楊旭海,施滸立,等.轉(zhuǎn)發(fā)器式衛(wèi)星軌道測定新方法[J].中國科學(xué) G輯:物理學(xué)、力學(xué)、天文學(xué),2008,38(12):1711-1722.)

[3] GUO Rui,HU Xiaogong,HUANG Yong,et al.Navigation Satellite Short-arc Kinematic Orbit Determination[J].Journal of Spacecraft TT&C Technology,2010,29(1):60-67.(郭睿,胡小工,黃勇,等.導(dǎo)航衛(wèi)星的短弧運動學(xué)定軌[J].飛行器測控學(xué)報,2010,29(1):60-67.)

[4] GUO Rui,HU Xiaogong,HUANG Yong,et al.Short-arc Kinematic Orbit Determination Based on Ephemeris Fitting[J].Journal of Astronautics,2010,31(2):410-415.(郭睿,胡小工,黃勇,等.基于星歷擬合的短弧運動學(xué)定軌[J].宇航學(xué)報,2010,31(2):410-415.)

[5] AI G X,SHI HL,WU HT,et al.A Positioning System Based Satellite Communication and Chinese Area Positioning System(CAPS)[J].Chinese Journal of Astronomy and Astrophysics,2008,8(6):611-635.

[6] GUO Rui,HU Xiaogong,LIU Li,et al.Combined Orbit Determination for Geostationary Satellites Based on Transfer Ranging and Pseudoranging[J].Science in China Series G:Physics,Mechanics&Astronomy,2010,40(8):1054-1062.(郭睿,胡小工,劉利,等.轉(zhuǎn)發(fā)式測距和直發(fā)式偽距的GEO衛(wèi)星聯(lián)合定軌[J].中國科學(xué)G輯:物理學(xué)力學(xué)天文學(xué),2010,40(8):1054-1062.)

[7] HUANG Yong,HU Xiaogong,HUANG Cheng,et al.Precise Orbit Determination of a Maneuvered GEO Satellite Using CAPS Ranging Data[J].Science in China Series G:Physics,Mechanics&Astronomy,2008,38(12):1750-1758.(黃勇,胡小工,黃珹,等.利用 CAPS測距數(shù)據(jù)確定GEO衛(wèi)星變軌期間的軌道[J].中國科學(xué)G輯:物理學(xué)、力學(xué)、天文學(xué),2008,38(12):1750-1758.)

[8] ZHANG Feipeng,HUANG Cheng,LIAO Xinhao,et al,Precise Orbit Determination for the Ocean Satellite ERS-2 with Multiple Tracking Techniques[J].Chinese Science Bulletin,2001,46(14):1228-1232.(張飛鵬 ,黃珹 ,廖新浩,等.綜合多種觀測技術(shù)精密確定海洋衛(wèi)星 ERS-2的軌道[J].科學(xué)通報,2001,46(14):1228-1232.)

[9] QU Feng,W ANG Tanqiang,CHEN Xianjun,et al.Precise Orbit Determination of GPS35 Satellite Using SLR Data.[J]Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2003,32(3):

224-228.(瞿鋒,王譚強,陳現(xiàn)軍,等.用SLR資料精密確定GPS35衛(wèi)星軌道[J].測繪學(xué)報,2003,32(3):224-228.)

[10] PENG Dongju,WU Bin.Zero-difference and Singledifference Precise Orbit Determination for LEO Using GPS[J].Chinese Science Bulletin,2007,52(6):715-719.(彭冬菊,吳斌.非差和單差LEO星載 GPS精密定軌探討[J].科學(xué)通報,2007,52(6):715-719.)

[11] ZHANG Qiang,LIAO Xinhao,HUANG Cheng.An Investigation ofthe PreciseOrbitDetermination by Combination of Two Kinds of Measurements[J].Acta Astronomica Sinica,2000,41(4):347-354.(張強 ,廖新浩,黃珹.兩種觀測技術(shù)綜合精密定軌的探討[J].天文學(xué)報,2000,41(4):347-354.)

(責(zé)任編輯:雷秀麗)

A Strategy of Rapid Orbit Recovery for the Geostaionary Satellite

GUO Rui1,ZHOU Jianhua1,HU Xiaogong2,LIU Li1,HUANG Yong2,CHANG Zhiqiao1
1.Beijing Global Information Application and Development Center,Beijing 100094,China;2.Shanghai Astronomical Observatory,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200030,China

Real time,continuous and high precision orbit is needed for the geostationary satellite orbit(GEO)maneuver.How to recover orbit rapidly for GEO based on short-arc tracking is the key factor.A new kinematic orbit determination approach is introduced in order to solve this problem,which is based on 9-parameter ephemeris parameter fitting.The mathematical model and partial derivative model are deduced in detail.And the coordinate rotation method is introduced to solve the singular problem in the ephemeris parameter fitting for the GEO satellite.In order to check the precision and availability of this method,the short-arc orbit determination tests are carried out using real COMPASS GEO C-band transfer ranging data.The results indicate that:①with a 10 minutes tracking arc the position accuracy is better than 19 m,the velocity accuracy is 4 mm/s,which is better than the MEO satellite;②the 5-minute orbit prediction accuracy is 17.760 m,and the 10-minute orbit prediction accuracy is 18.168 m;③several problems in the dynamics orbit determination and single point position determination are solved,the rapid orbit recovery for GEO is achieved,which satisfied the requirement of RDSS.

precise orbit determination;satellite navigation;geostationary satellite;satellite ephemeris;transfer ranging

GUO Rui(1982—),male,PhD,engineer,majors in the research of satellite navigation and precise orbit determination.

P228

:A

國家863計劃(2009AA12Z328);中國科學(xué)院動力大地測量學(xué)重點實驗室開放基金(L09-04)

1001-1595(2011)S-0019-07

2011-01-10

修回日期:2011-03-20

郭睿(1982—),男,博士,工程師,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航與精密定軌技術(shù)研究。

E-mail:guorui@shao.ac.cn